1、1.1.1 计算机发展史 世界上第一台电子计算机 ENIAC 于 1946 年 2 月诞生在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院。但学术界公认，电子计算机的理论和模型是由英国数学家图灵(Alan Mathison Turing，19121954)在 1936 年发表的一篇名为论可计算数及其在判定问题中的应用的论文中奠定了基础。因此，当美国计算机协会 ACM 在 1966 年纪念电子计算机诞生 20 周年，即图灵的论文发表 30 周年之际，决定设立计算机界的第一个奖项“图灵奖”以纪念这位计算机科学理论的奠基人。“图灵奖”也被称为“计算机界的诺贝尔奖”。2000 年，ACM 第一次将“图灵奖”授予华裔学者姚
2、期智，以鼓励他在计算机理论、算法设计与分析、密码学等方面所作的贡献。 距 ENIAC 的诞生，至今已经 有 60 年了。这 60 年里，计算机以惊人的速度发展。根据计算机所使用的电子元器件不同，计算机的发展经 历了四个时代。 第一代：电子管计算机（19461957 年） 在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。这促进了计算机的研究与发展。1944 年 Howard H.Aikien（19001973）研制出全电子计算机，为美国海军绘制弹道图。这台简称 Mark的机器有半个足球场大，内含 500 英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢（35 秒进行一次计算）并且实用
3、性很差，只用于专门领域。 1946 年 2 月 14 日，标志现代计算机诞生的 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）在费城公之于世。ENIAC 代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，拥有并行计算能力。ENIAC 使用了 18000 个电子管，70000 个电阻器，有 5 百万个焊接点，耗电 160 千瓦，其运算速度比 Mark快 1000 倍，ENIAC 是第一台普通用途计算机。 与此同时，美国数学家冯 诺依曼提出了现代计算机的基本原理：存储程序控制原理。1949 年冯 诺依曼和莫尔根据存储程序控制原理
4、造出的新计算机 EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator，爱达赛克）在英国剑桥大学投入运行。EDSAC 是世界上第一台存储程序计算机，是所有现代计算机的原型和范本。 第二代：晶体管计算机（19581964 年） 1956 年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器推动了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。在这一时期出现了高级语言 COBOL 和 FORTRAN，以单词、语句和数学公式代替了含混的二进制机器码，使计算机编程更容易。新的职业（程序员、分析员和计算机系统专家）和整个软件产业由此诞生。 第三
5、代：中小规模集成电路计算机（19651970 年） 虽然晶体管比电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，会损害计算机内部的敏感部分。1958 年德州仪器的工程师 Jack Kilby 发明了集成电路 IC，将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。科学家使更多的元件集成到单一的半导体芯片上。于是，计算机变的更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。 第四代：大规模、超大规模集成电路计算机（1971 至今） 出现集成电路后，扩大规模成为唯一的发展方向。大规模集成电路 LSI，可以在一个芯片上容纳几百个元件。到
6、 20 世纪 80 年代，超大规模集成电路 VLSI 在芯片上容纳了几十万个元件，后来的 ULSI 将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。 1981 年，IBM 推出个人计算机 PC 用于家庭、办公室和学校。80 年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积，从桌上到膝上到掌上。与 IBM PC 竞争的 APPLE Macintosh 系统于 1984 年推出，Macintosh 提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。 从 20 世纪 80 年代开始，日、美等国家开展了新一
7、代“智能计算机”的系统研究，并称为“第五代计算机” ，但目前尚未有突破性发展。 计算机发展阶段如表 1-1 所示。 1计算机的特点 （1）运算速度快 运算速度是指计算机每秒能执行多少条指令。常用单位是 MIPS，即每秒执行多少个百万条指令。例如，主频为 2GHz 的 Pentium 4 微机的运算速度为每秒 40 亿次，即 4 000MIPS. （2）计算精度高 例如，Pentium 4 微机内部数据位数为 32 位（二进制） ，可精确到 15 位有效数字（十进制） 。圆周率 的计算，有人曾利用计算机算到小数点后 200 万位。 （3）记忆能力强 计算机的存储器（内存储器和外存储器）类似于人的
8、大脑，能够记忆大量的信息。它能把数据、程序存入，进行数据处理和计算，并把结果保存起来。 （4）逻辑判断能力强 逻辑判断是计算机的一个基本能力，在程序执行过程中，计算机能够进行各种基本的逻辑判断，并根据判断结果来决定下一步执行哪条指令。这种能力，保证了计算机信息处理的高度自动化。 2计算机的分类 按工作原理可划分为模拟式电子计算机、数字式电子计算机和模拟数字混合计算机。 模拟式电子计算机问世较早，内部所使用的电信号模拟自然界的实际信号。模拟电子计算机处理问题的精度差；所有的处理过程均需模拟电路来实现，电路结构复杂，抗外界干扰能力极差。 数字式电子计算机是当今世界电子计算机行业中的主流，其内部处理
9、的是一种称为符号信号或数字信号的电信号。它的主要特点是“离散” ，在相邻的两个符号之间不可能有第三种符号存在。由于这种处理信号的差异，使得它的组成结构和性能优于模拟式电子计算机。 按功能可划分为专用计算机和通用计算机。 专用计算机主要在某些专业范围内应用。我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。 通用计算机主要应用于商业、工业、政府机构和家庭个人。 按规模可划分为巨型机、大型机、小型机和微型机。 巨型机也称为超级计算机，是目前速度最快、处理能力最强的计算机，主要用于战略武器、空间技术、石油勘探、天气预报等领域。我国于 20 世纪 80 年代末、90 年代中先后推出了自行研制的银河
10、-、银河-、银河-等巨型机。2004 年 6 月公布的世界超级计算机排名中，居首位的是日本 NEC 公司的“地球模拟器” ，其运算速度达每秒 35.8 万亿次，中国曙光计算机公司研制的“曙光 4000A”排名第 10，其运算速度为每秒 10 万亿次。 大型机具有很强的数据处理能力，一般应用于大中型企事业单位的中央主机。例如，IBM 公司生产的 IBM 4300、3090 及 9000 系列都属于这种类型。 小型机的功能略逊于大型机，但它结构简单、成本较低、维护方便，适用于中、小企业用户。例如，美国 DEC 公司的 VAX 系列机型，IBM 公司的 AS/400 系列都属于小型机。 微型机又称为
11、个人计算机（Personal Computer） ，简称 PC。价格便宜、功能齐全，广泛应用于个人用户，是目前最普及的机型。 按工作模式可划分为服务器和工作站 工作站是一种介于微型机和小型机之间的高档微型计算机系统，通常配有高分辨率的大屏幕显示器和大容量存储器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能。自 1980 年美国 Apollo 公司推出世界上第一个工作站 DN-100 以来，工作站迅速发展，成为专长处理某类特殊事物的一种独立的计算机类型。 服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的共享设备。根据其提供的服务，可以分为文件服务器、通信服务器和打印服务器等。 1计算机的应用领域 （1）
12、科学计算 科学计算是计算机最早的应用领域。同人工计算相比，计算机不仅速度快，而且精度高，特别是对于大量的重复计算，计算机不会感到疲劳和厌烦。 （2）信息处理 信息处理即数据处理，是指对各种原始数据进行采集、整理、转换、加工、存储、传播以供检索、再生和利用。目前，计算机信息处理已经广泛应用于办公自动化、企业计算机辅助管理、文字处理、情报检索、电影电视动画设计、会计电算化、医疗诊断等各行各业。据统计，世界上的计算机 80以上主要用于信息处理。 （3）计算机辅助设计与计算机辅助制造（CAD/CAM） 计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）与计算机辅助制造（Compute
13、r Adid Manufacture，CAM）主要用于机械、电子、宇航、建筑等产品的总体设计、造型设计、结构设计、数控加工等环节。应用 CAD/CAM 技术，可以缩短产品开发周期、提高设计质量、增加产品种类。 （4）计算机辅助教学与计算机管理教学（CAI/CMI） 利用计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）系统使得学生能在轻松的教学环境中学到知识，减轻教师的教学负担。计算机管理教学（Computer Managed Instruction，CMI）利用计算机实现各种教学管理，如教务管理、制定教学计划、课程安排等。 （5）自动控制 用计算机控制机床，
14、加工速度比普通机床快 10 倍以上。现代军用飞机控制，可用计算机在很短的时间内计算出敌机的各种飞机技术参数，采取相应的攻击方案。 （6）多媒体应用 多媒体计算机的出现提高了计算机的应用水平，扩大了计算机技术的应用领域，设定计算机除了能够处理文字信息外，还能处理声音、视频、图像等多媒体信息。 （7）电子商务 狭义上讲，电子商务是指网上进行交易活动，包括通过 Internet 买卖产品和提供服务。 2计算机的发展趋势 （1）巨型化 巨型机的研制水平，可以衡量整个国家科技能力。我国在 1985 年成功制造了运算速度为 10 亿次的“银河-”,如图 1-2 所示。1997 年 6 月 2 日研制出了运
15、算速度为 130 亿次的“银河-”。 （2） 微型化 随着微电子技术和超大规模集成电路的发展，计算机的体积趋向微型化。从 20 世纪 80 年代开始微机得到了普及。现在，又出现了笔记本式计算机、掌上电脑（如图 1-3 所示）、手表电脑等。 （3）网络化 现代信息社会的发展趋势就是实现资源共享，即利用计算机和通信技术，将各个地区的计算机互联起来，形成一个规模巨大，功能强大的计算机网络，使信息能得到快速、高效的传递。 （4）多媒体化 现代计算机不仅用来进行计算，还能处理声音、图像、文字、视频和音频信号。如图 1-4 所示。 （5）智能化 智能化是让计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。如图 1-
16、5 为汽车驾驶的模拟器。一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成(如图 1-6)。硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础。软件系统是为了运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和相关文档的总称。通常把不安装任何软件的计算机称为裸机。普通用户所面对的一般都不是裸机，而是在裸机上配置若干软件之后构成的计算机系统。计算机系统的各种功能都是由硬件和软件共同完成的。 1946 年冯.诺依曼简化了计算机的结构，提出“存储程序”的思想，大大提高了计算机的速度。后人把按照这种思想和结构设计的计算机称为冯 诺依曼计算机。 “存储程序”思想可以简要地概括为以下三点： 计
17、算机应包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件。 计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。 将编好的程序和数据送入内存储器，然后计算机自动地逐条取出指令和数据进行分析、处理和执行。 按照冯 诺依曼机结构，计算机的硬件系统如图 1-7 所示。 通常，我们把运算器和控制器集成在一起，形成中央处理器（Central Processing Unit，简称为 CPU）。在硬件维修人员眼里，硬件系统又可以分为主机和外部设备两大部分。主机主要包括主板、CPU、内存、硬盘和显卡等设备，外部设备包括鼠标、键盘、显示器、打印机和扫描仪等 I/O 设备，如图 1-8 所示。运算器 0091运算器
18、运算器的主要功能是对二进制数据进行运算，包括算术运算（加、减、乘和除等）和逻辑运算（与、或、非、异或和比较）两类，因而运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称 ALU）。控制器 0102控制器 控制器是计算机的指挥中心，负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号；保证各部件协调一致地工作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成。 硬件系统的核心是中央处理器。它主要由控制器和运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片（又称微处理器芯片）。存储器 0113存储器 存储器的主要功
19、能是存放程序和数据，是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息，包括原始的输入数据、经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且，指挥计算机运行的各种程序也存放在存储器中。按存储器的作用可将其分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。 存储器中能够存放的最大数据信息量称为存储器的容量。存储器容量的基本单位是字节（Byte，B）。存储器中存储的一般是二进制数据，二进制数只有 0 和 1 两个代码，因而，计算机技术中常把一位二进制数称为一位（1 bit），1 个字节包含 8 位，即 1B=8bit。为了便于表示大容量存储器，实际当中还常用 KB、MB、GB、TB 为
20、单位，其关系为： 1KB1024B， 1MB1024KB， 1GB1024MB， 1TB1024GB 把信息从存储器中取出，而又不破坏存储器内容的过程称为读操作；把信息存入存储器的过程称为写操作，写操作可以破坏存储器中所有内容。（1）主存储器 主存储器简称主存，又叫内存，是计算机系统的信息交流中心。绝大多数的计算机内存是由半导体材料构成的。从使用功能上分，有随机存储器（又称读写存储器）和只读存储器。 随机存储器（Random Access Memory，简称 RAM） RAM 的主要特点是既可以从中读出数据又可以写入数据；读出时并不损坏原来存储的内容，只有写入时才修改原来所存储的内容；断电后，
21、存储内容立即消失，即易失性。 RAM 按其结构可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。DRAM 的特点是集成度高，主要用于大容量内存储器；SRAM 的特点是存取速度快，主要用于高速缓冲存储器。 只读存储器（Read Only Memory，简称 ROM） 只读存储器的特点是只能读出所有内容，不能由用户再写入新内容。ROM 的数据是厂家在生产芯片时，以特殊的方式固化的，用户一般不能修改。ROM 中一般存放系统管理程序，即使断电 ROM 中的数据也不会丢失。（2）辅助存储器 辅助存储器设置在主机的外部，又叫外部存储器（简称外存），是内存的扩充。外存一般具有存储容量
22、大，可以长期保存暂时不用的程序和数据，信息存储性价比较高等特点。通常，外存只与内存交换数据，而且存取速度也较慢。常用的外存有硬盘、软盘、光盘、U 盘等（详细内容见 1.3节）。 内存的特点是直接与 CPU 交换信息，存取速度快，但是容量小、价格贵；外存的特点是容量大、价格低，但是存取速度较慢，不能直接与 CPU 交换信息。内存用于存放立即要用的程序和数据；外存用于存放暂时不用的程序和数据。内存和外存之间常常频繁地交换信息。需要指出的是外存属于I/O 设备，而且它只能与内存交换信息，才能被 CPU 处理。K13012等非法字符。 文件名不区分字母的大小写。 2通配符 在 Windows XP 中引入两种通配符：“？”和“*” 。 “？”表示任意一个字符。 “*”表示任意长度的任意字符。当进行文件或文件夹搜索时可以使用通配符来代替真正的字符。
